Bibliographie & annexes
Présentation
English
Auteur(s)
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Raed KOUTA : Docteur en mécanique - Maître de conférences, université Technologique de Belfort-Montbéliard
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Daniel PLAY : Ingénieur, Docteur, professeur d'université à l'institut national des Sciences appliquées de Lyon
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Lire l’articleINTRODUCTION
Le calcul prévisionnel de la durée de vie d'un système, ou d'un composant, mécanique, fonctionnant dans des conditions réelles d'usage, s'effectue à partir de l'état de fatigue des matériaux constitutifs des composants étudiés.
La fatigue des matériaux se manifeste chaque fois que les efforts et les sollicitations varient au cours du temps. Ces sollicitations aléatoires prennent des allures très variées (consulter [BM 5 030] et [BM 5 031]). La rupture peut ainsi apparaître avec des contraintes relativement faibles, quelquefois inférieures à une limite conventionnelle appelée « limite d'endurance » SD .
La fatigue des matériaux est abordée de deux façons.
La première repose sur une approche globale où le matériau est considéré comme un milieu homogène à une échelle macroscopique. Les caractéristiques mécaniques du matériau sont présentés par les courbes de fatigue, dont la plus connue est la « courbe de Wöhler ». Les points critiques des composants sont définis par les points de sollicitations les plus dommageables, et les calculs de durée de vie sont faits en ces points.
La seconde façon d'aborder la fatigue des matériaux repose sur une approche locale où sont considérés des défauts caractéristiques potentiels du matériau (fissures). Dans ces zones, les sollicitations conduisent à la définition d'une vitesse de fissuration, et la rupture est obtenue lorsqu'une longueur limite de fissure est atteinte.
Ces deux façons d'aborder le calcul de la durée de vie en fatigue des systèmes, ou des composants mécaniques utilisent les mêmes distributions de charges aléatoires.
La présentation de ce dossier sera cependant limitée à l'approche globale, car cette façon d'aborder la résistance des matériaux est très largement répandue et repose sur une large compétence dans l'industrie. Un gain significatif de la qualité des prévisions est alors attendu avec la prise en compte des sollicitations aléatoires. Signalons toutefois que la seconde approche n'est pas exclue et que tous les développements présentés ici peuvent être extrapolés.
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Présentation
Fatigue et endommagement dans la validation d'une durée de vie d'un composant mécanique
English
1. Principe du calcul prévisionnel
Le calcul prévisionnel de la durée de vie d'un système, ou d'un composant, mécanique, utilisé dans des conditions réelles d'usage, s'effectue à partir de quatre éléments :
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la connaissance du chargement (ou de la sollicitation) subit (figures 1a et b). La figure 1a visualise la définition de points de mesure au cours du temps (avec un pas de temps prédéfinis Δt constant). La figure 1b permet de rappeler les grandeurs considérées par la suite ;
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une loi d'endurance (souvent basée sur la courbe de Wöhler) (figure 1c). Des essais réalisés pour une contrainte moyenne
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nulle et une contrainte Sa donnent des résultats avec différents nombres de cycles à la rupture. La distribution est représentée par une suite de points. Différentes valeurs de contraintes Sa sont considérées. Par la suite, trois courbes peuvent être déduites avec, respectivement, pr ≥ 50 %, p 0 , et 1 – p 0 de probabilité de rupture. En général, p 0 est compris entre 1 et 10 % ; -
un critère de fatigue qui fixe la limite de résistance (figure 1d ). Lorsque la contrainte moyenne n'est pas nulle, la limite de fatigue SD dépend de la valeur de la contrainte moyenne Sm . Différents modèles peuvent alors être utilisés selon que la contrainte Sm varie entre 0 et R E , ou R m ;
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une loi de cumul d'endommagement pour tenir compte de toutes les sollicitations appliquées au système, ou au composant. Généralement, c'est la loi de Miner qui est utilisée.
nulle et une contrainte Sa donnent des résultats avec différents nombres de cycles à la rupture. La distribution est représentée par une suite de points. Différentes valeurs de contraintes Sa sont considérées. Par la suite, trois courbes peuvent être déduites avec, respectivement, pr ≥ 50 %, p 0 , et 1 – p 0 de probabilité de rupture. En général, p 0 est compris entre 1 et 10 % ;
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - LIEURADE (H.-P.) - Estimation des caractéristiques de résistance et d'endurance en fatigue – La fatigue des matériaux et des structures. - Collection université de Compiègne, Éditeurs scientifiques : Bathias, C., Bailon, J. P., Les presses de l'université de Montréal (1980).
-
(2) - FATEMI (A.), YANG (L.) - Cumulative fatigue damage and life prediction theories : a survey of the state of the art for homogeneous materials. - Int J Fatigue, 20(1), p. 9-34 (1998).
-
(3) - LELUAN (A.) - Méthodes d'essais de fatigue et modèles d'endommagement pour les structures de véhicules ferroviaires. - Revue générale des chemins de fer, Gauthier-Villars éditions, p. 21-27, déc. 1992.
-
(4) - BROZZETTI (J.), CHABROLIN (B.) - Méthodes de comptage des charges de fatigue. - Revue Construction Métallique, no 1 (1986).
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(5) - LALANNE (C.) - Vibrations et chocs mécaniques – tome 4 : Dommage par fatigue. - HERMES Science Publications, Paris (1999).
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